[发明专利]具有可离开平面运动的移动质量块的微机电装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种微机电系统，或称为MEMS，尤其涉及一种力传感器型的微机电结构，其中形成力传感器的可变形元件和测量仪受到保护而免于因施于力传感器上的强机械力造成的破损。

本发明特别应用于，例如，加速计、陀螺仪、和磁力计，或甚至是压力传感器，和更广泛的任何具有可根据力产生位移的部分，以实现对多种性质的力进行测量的装置。

背景技术

自从精密刻蚀和生长技术投入使用，特别是，在微电子中的应用的出现，制造微米级和纳米级的电机或传感器的可能成为现实。这种装置由于其多种应用，在传感器领域，也同样在发射器、致动器、或被动器件中引起了人们的极大兴趣。它们例如被用于汽车产业、航空、或手机，以替代更庞大的肉眼看见的装置。

在微机电传感器中，力传感器，例如加速计、陀螺仪、或磁力计，通常包括移动质量块，和用于测量该移动质量块在力的影响下的位移的探测组件。

如图1所示，力传感器的移动质量块1通常以一层半导体材料，特别是硅的形式出现，具有十或数十微米的厚度，并通过元件2维持在基底5上方，元件2可以是柔性的或围绕旋转轴可扭转变形。变形元件2通常被称为弹簧，最好是水平地位于移动质量块1的侧面的一端。弹簧2的两端与贴附连接于基底上的固定锚定区域4相连。现在定义如图1所示的三个轴x、y、z，x轴沿移动质量块1的旋转轴指向，y轴沿移动质量块1在静止状态的平面指向并垂直于x轴，z轴垂直于移动质量块1在静止状态所定义的平面，从基底5指向移动质量块1。有利地，这种类型的设备形成在绝缘体上硅薄膜(silicon-on-insulator，SOI)型的基底上，电绝缘氧化层6将蚀刻有移动质量块1的硅层与基底5分离。

移动质量块的运动的探测器通常是电容式系统的形式，其中移动质量块的位移使电容系统的两个电极彼此远离或接近对方，从而导致气隙的变化，并从而导致系统的电容变化。文件US4736629示出了这类探测器的一个例子。作为一种变形，如图1所示，存在使用一个或多个对移动质量块1的位移的压力和拉力敏感的压阻式测量仪3。在两种情况下，力传感器的灵敏度是由移动质量块允许的位移的幅度，和对移动质量块的运动的探测器的配置决定的。使用机械谐振器作为应力测量仪也是可行的，谐振器的谐振频率根据施于其上的应力变化。

有利地，压阻式测量仪3以能尽可能多地增加施于测量仪3的压力和拉力的方式放置。这样的操作旨在增加力传感器的检测灵敏度。

事实上，测量仪3中压缩/拉伸变形所产生的应力引起了测量仪3的与压力成正比的阻力变化。通过对压阻式测量仪3施加电压，可以检测相关的电阻变化，该变化由移动质量块1的位移引起，与其变形成正比。由于施于移动质量块1上的外力造成的移动质量块1的位移，使用压阻式测量仪能够通过测量电阻变化得到力的值。电阻变化每单位的力越大，微机电力传感器越敏感。

使用具有能在平面外位移的移动质量块的压阻式测量仪3的力传感器，例如文件FR2954505和FR2941533中描述的，如图1所示，自然地启示了将压阻式测量仪3与移动质量块的上和/或下表面沿z轴对齐，可在锚点附近施加最大的按压和拉伸而不会超过断裂阈值。

然而，移动质量块1也可能受沿x轴和/或y轴的平面的机械应力产生位移。这种位移可能会导致应力测量仪3的不可逆转的变形，从而使力传感器无法使用。为了克服这个缺点，如专利FR2941533提出的，最好通过将柔性变形元件结合于扭转变形元件2，把移动质量块1的位移限制在x轴和y轴定义的平面上，这两种类型的可变形元件围绕x轴变形。事实上，扭转变形元件对沿x轴的位移具有良好抗力，而对沿y轴的位移抗力较弱。同时，柔性元件对沿y轴的位移具有良好的抗力，而对沿x轴的位移抗力较弱。因此，这两种类型的可变形元件2对沿x轴和y轴的位移提供互补的抗性，能够保护应力测量仪3。

然而，这样的组合变形元件的缺点是不允许同时优化测量范围和机械范围。测量范围指的是传感器能够检测的所有力的值，机械范围指的是移动质量块静止时的范围之外的值，典型的例子是静止在基底上。故而测量范围包括在机械范围内。理想情况下，机械范围比测量范围大几十个百分点。

在结合柔性和扭转变形元件的情况下，机械敏感度低，这样机械范围远远大于测量范围，两者之间的比率范围通常是10。

为了更好地匹配两个范围，有两种可能的解决方案。